第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性?一、地下各种压力的概念?（一）静液压力（hydrostaticpressure）?静液压力是由液柱自身的重力所引起的压力。?ph=0.00981ρH?式中：ph—静液压力,MPa；?ρ—液体的密度,g/cm3；?H—液柱的垂直高度，m。?压力梯度，
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示静液压力随高度或深度的变化。Gh＝ph/H＝0.00981ρ?淡水或淡盐水，Gh=0.00981MPa/m；?盐水，Gh=0.0105MPa/m。第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性（二）上覆岩层压力（Oveburdenpressur）地层某处的上覆岩层压力是该处以上地层岩石基质和岩石孔隙中流体总重力所产生的压力，用p0表示。式中：p0—上覆岩层压力，MPa；H—地层垂直深度,m；φ—岩石孔隙度，%；ρma—岩石骨架密度，g/cm3；ρ—孔隙中流体密度，g/cm3。])1[(00981.0???????maoDp面积流体重力基岩重力??po第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性上覆岩层压力随深度增加而增大。沉积岩的上覆岩层压力梯度一般为0.0227兆帕/米。式中：G0—上覆岩层压力梯度，Mpa/m；poi—第i层段的上覆岩层压力，MPa；Hi—第i层段的厚度，m。ρoi—第i层段的平均密度，g/cm3。上式计算的是上覆岩层压力梯度的平均值。????????HHHPGiioiioio?00981.0第一章钻井的工程地质条件第一节地下压力特性（三）地层压力（formationpressue）?地层压力是指岩石孔隙中的流体所具有的压力，也称地层孔隙压力（formationporepressue），用pp表示。石钻?异常地层压力地层压力大于或小于正常地层压力。?超过正常地层静液压力的地层压力(pp>ph)称为异常高压。?而低于正常地层静液压力的地层压力(pp
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，其中a是最常见的一种，称为常规三轴实验。施力方案是?1??2=?3=p岩 石抗压强度抗拉强度抗弯强度抗剪强度花岗岩10.02－0.040.030.09砂 岩10.02－0.050.06－0.200.10－0.12石灰岩10.04－0.100.08－0.100.15图1-9A三轴岩石实验方法?通常在岩石样品的一个方向上施加一个最大应力，是最大主应力，在与之垂直的两个方向上用液压施加应力，称谓围压（见图1-9B）图1-9B常规三轴实验第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?(2)三轴应力条件下岩石的强度变化特点?岩石在三轴应力条件下的强度明显增加。不同岩石，随着围压增加幅度不同；同一种岩石，围压对强度的影响程度并不是在所有压力范围内都是一样的，开始时，岩石的强度增加比较明显，再继续增加围压时，相应的强度增量就变得越来越小，最后当压力很高时，有些岩石(例如石灰岩)的强度便趋于常量。第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?其原因：岩石不同于钢铁材料，其内部存在着大量的微裂纹、裂隙，在围压的作用下，裂纹、裂隙闭和，岩石变得致密，强度增加。裂纹、裂隙全部闭和后，岩石强度基本稳定；另外，围压会限制岩石的横向变形。Ⅰ—OilCreak石英砂岩，Ⅱ—Hasmark白云岩Ⅲ—Blain硬石膏，Ⅳ—Yule大理岩Ⅴ—Barns砂岩及Marianna石灰岩（曲线重合）Ⅵ—Muddy页岩，Ⅶ—盐岩?(四)岩石的硬度（formationhardness）?岩石的硬度是岩石抵抗其它物体表面压入或侵入的能力。?硬度与抗压强度区别：硬度只是固体表面的局部对另一物体压入或侵入时的阻力，抗压强度则是固体抵抗固体整体破坏时的阻力。?岩石硬度的测量：莫氏硬度和岩石的压入硬度?1.莫氏硬度（Mohsscale）?岩石或其它材料的相对硬度。?2.岩石的压入硬度?岩石的压入硬度是苏联的史立涅尔提出的，也称史氏硬度。?要求：（1）岩样的长度为30～50mm，直径40～50mm，两端面光滑且相互平行；?（2）压头用高强度钢或硬质合金制成。?压头有平底圆柱形和截锥形两种。?对于致密均质岩石，采用1～2mm2的压头；颗粒大于0.5mm且硬度不高的岩石宜使用3mm2的压头；多孔低强度岩石用5mm2的压头。?硬度小于25千巴的岩石，多采用平底圆柱形高强度钢压头；?硬度大于25～30千巴的岩石，多采用平底圆柱形硬质合金钢压头；?硬度大于40～50千巴的岩石，多采用截锥形硬质合金钢压头；?1—液缸缸体；?2—液缸柱塞；?3--岩样；?4—压头?5—压力机上压板；6—千分表；?7—柱塞导向杆图1-12岩石硬度实验装置6777第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?脆性和脆塑性岩石的硬度为：?式中：P——产生脆性破碎时压头上的载荷(牛顿)?S——压头的底面积(毫米2)；?对塑性岩石，取产生屈服(即从弹性变形开始向塑性变形转化)时的载荷P0代替P，即：表1-9岩石按硬度的分类)331(??MPaSPPY)341(0??MPaSPPY类别软中软中硬硬坚硬极硬级别123456789101112MPa≤11～2.52.5～55～1010～1515～2020～3030～4040～5050～6060～70>70第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?（五）岩石的脆性和塑性?可把岩石分为脆性岩石（brittlerock）、塑性岩石（plasticrock）和塑脆性岩石（brittle-plasticrock）三大类。?在外力作用下，岩石只改变其形状和大小而不破坏自身的连续性，这种情况称为塑性的；岩石在外力作用下，直至破碎而无明显的形状改变，这种情况称为脆性的；介乎于两者之间的是脆塑性岩石。第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?用岩石的塑性系数KP作为定量表征岩石塑性及脆性大小的参数。塑性系数为岩石破碎前耗费的总功AF与岩石破碎前弹性变形功AE的比值。?对于塑脆性岩石：?（1-33）?脆性系数K=1；塑性岩石，KP=∞。?表1-7岩石按塑性系数的分类的面积的面积ODEOABCAAKEFP??类脆塑脆性塑别性低塑性————→高塑性性级别123456塑性系数K1>1－22－33－44－6>6－∞?在三轴应力条件下，岩石机械性质的一个显著变化的特点就是随着围压的增大，岩石表现出从脆性向塑性的转变，并且围压越大，岩石破坏前所呈现的塑性也越大。表1-8岩石在围压下的塑性变形在下列围压下破坏前的应变量，％岩石P＝100MPaP＝200MPaOilCreek石英砂岩2.93.8Hasmark白云岩7.313.0Blain硬石膏7.022.3Yule大理岩22.028.8Barns砂岩25.825.9Mirianna石灰岩29.127.2Muddy页岩15.025.0岩盐28.827.5第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?二、井底压力条件下岩石的机械性质及其影响因素?(一)井眼周围地层岩石的受力?井眼周围地层岩石受力包括上覆岩层压力、岩石内孔隙流体的压力和水平地应力和钻井液液柱压力。?水平地应力一部分来源于上覆岩层压力?另一部分水平地应力来源于地质构造力，它在水平的两个主方向上一般是不相等的，但却都随埋藏深度而线性增大。??pp??31????某深处两个水平主地应力方向上的有效水平向主地应力可以表示为?式中：α、β——分别为1和2两个水平主方向的构造力系数，且α>β。σ1、σ2及σ3都是由于地下岩石之间的作用而产生的应力，所以统称地应力。?(二)井底各种压力对岩石性能的影响?1.地应力的影响?某些试验表明，当地应力值太小，对钻进速度的影响不明显。?理论
分析
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表明，无论是垂直的上覆岩层压力或是水平的地应力(均匀的或非均匀的)都会影响井壁岩石的应力状态，从而影响到井壁的稳定。????)351(113231????????????????????????????????pppp???????????2.液柱压力和孔隙压力的影响?(1)附加孔隙压力的常规三轴试验结果?孔隙压力的作用降低了岩石的各向压缩效应，也就是说孔隙压力的存在会降低岩石的强度。表1-10有效应力的作用围压孔隙压力有效应力岩石的破碎应力(强度极限)σ1=P2MPaPPMpa(σ3-PP)Mpa(σ1-σ3)Mpa00059.834.534.5058.413.86.96.9106.020.7020.7171.034.513.820.7169.144.824.120.7166.769.048.320.7167.134.5034.5211.048.313.834.5211.869.034.534.5212.755.2055.2253.869.013.855.2250.4第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?(2)?增大钻井液的液柱压力ph，其结果必然导致岩石的抗压入强度(即硬度)的增加和塑性的增加，并且在一定的液柱压力下，岩石从脆性破坏转为塑性破坏。将使机械钻速降低。表1-11液压ph对岩石硬度的影响岩石泥灰岩大理岩白云岩液压Mpa硬度MPa相对值硬度MPa相对值硬度Mpa相对值0498100.0803100.0－－20602121.0－－3670100.035633127.2980122.04136112.765773155.41083135.04220115.085856172.01180147.04504124.0951301261.3－－4626126.21001626306.01490185.54940134.7图1-18液柱压力对钻井速度的影响Ⅰ—Rifle页岩；Ⅱ—Spraberry页岩Ⅲ—Wyoming红层；Ⅳ—Pennsylvanian灰岩Ⅴ—RushSpring砂岩；Ⅵ—Ellenberger白云岩第一章钻井的工程地质条件第二节岩石的工程力学性质?三、岩石的研磨性（rockabrasiveness）?岩石磨损与之相接触的物体的能力，即岩石磨损钻头切削刃材料的能力称为岩石的研磨性。?研究岩石的研磨性对于正确地
设计
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和选择使用钻头，延长钻头寿命，提高钻头进尺，提高钻井速度有重要的意义。?研磨性磨损除了与摩擦付材料的性质有关外，还取决于摩擦的类型和特点，摩擦表面的形状和尺寸(例如表面的粗糙度)、摩擦面的温度、摩擦体的相对运动速度、摩擦体间的接触应力、磨损产物的性质及其清除情况、参与摩擦的介质等因素。?四、岩石的可钻性（rockdrillability）?岩石可钻性是岩石抵抗破碎的能力。也是钻井时岩石破碎难易程度的具体表现。?岩石可钻性是岩石在钻进过程中显示出的综合性指标，它取决于岩石自身的物理力学性质以及破碎岩石的工艺技术措施。?微钻头在岩样上钻孔，通过实钻钻时(即钻速)确定岩样可钻性。我国将地层可钻性按Kd的整数值分为10级。本章结束
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